CN105374806A - 一种圆形分组布局的压接式功率器件封装 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种圆形分组布局的压接式功率器件封装，所述功率器件封装包括上下两面分别设置上下钼片的功率器件芯片的框架，以及叠层布置的多层PCB板、驱动电路、键合线和上端盖；所述功率器件芯片分组设置于所述框架顶部，且所述各组功率器件芯片以圆形对称分布，所述驱动电路位于所述圆形的中间位置。本发明的压接式功率器件封装，器件内部芯片通过圆形对称的分组布局不仅增强了器件驱动信号的可靠性，而且提高了器件内部各并联芯片电流、压力和温度分布的均匀性；直接将散热器作为器件的上端盖减小了器件的导热路径，极大降低了器件的热阻，提高了器件的可靠性和功率密度。

Description

一种圆形分组布局的压接式功率器件封装
技术领域
本发明涉及电力半导体器件技术领域，具体涉及一种圆形分组布局的压接式功率器件封装。
背景技术
压接式功率器件，如压接式IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，被广泛用于工业、信息、新能源、交通等领域，因为其具有双面散热能力，高功率密度和可靠性，易于串联，且具有失效短路模式，也被广泛应用于智能电网等高压大功率电力系统领域。
温度对功率器件性能的影响至关重要，高温不仅会影响器件的电学特性，更会严重影响其疲劳寿命。在功率器件运行过程中温度会影响芯片内部的热应力，这可能导致芯片的热损坏，已有多项研究证明电子器件的疲劳寿命随温度的升高呈指数下降，在功率器件设计过程中必须考虑热设计，以方便热量迅速散出去，降低芯片的温度。
高功率密度一直是功率器件追求的目标，器件最高工作结温和内部各芯片电流分布的均匀性是限制其功率密度提高的最主要的因素，通过优化设计功率器件的封装可以在很大程度上优化器件内部电流分布的均匀性和降低器件的热阻，进而降低器件内部的最高工作温度，最终可以提高器件的功率密度和可靠性。
当前压接式IGBT主要是由ABB公司和WESTCODE公司生产的产品，具体为：
ABB公司的压接式IGBT的结构中芯片下侧面(集电极侧)与基板烧结在一起，另一侧为压接结构，并最终通过叠簧结构与上端盖接触，但也正因为叠簧的存在，使得芯片上侧面(发射极侧)的导热能力很差，热量基本上只能通过下侧面导出，虽然下侧面的导热路径比较短，但散热能力也不如双面散热，功率密度会受到限制。
WESTCODE公司的压接式IGBT的结构中芯片上下侧两面均为压接结构，直至上下端盖，这种结构的优点是芯片可以实现双面散热，芯片上下两面有近乎相等的热量导出。但是从其截面图可以看出，器件内部各个零部件之间的接触面较多，因为不同界面存在一定的粗糙度，界面间的空隙由空气填充，空气的导热率极低，这样界面间会形成很大的接触热阻，并且其接触热阻在整体热阻中占20％-50％比重，所以该种结构整体热阻与ABB的热阻相差不大。
ABB公司和WESTCODE公司的压接式IGBT器件内部各芯片都是方形分布，芯片位置的差异会导致驱动信号路径的差异，进而导致驱动信号的不一致，最终导致器件内部各芯片电流分布的不均匀，影响器件内部温度分布，限制功率密度的提高。
综上所述，提高器件功率密度最主要的方法为提高芯片电流分布均匀性和降低器件热阻，而器件内部各功率芯片的布局对芯片电流分布的均匀性具有重要影响，降低接触热阻和减小导热路径对降低整体热阻至关重要。因此，如何提供一种具有低热阻，电流分布性好，且整体结构简单紧凑的压接式功率器件封装，以满足智能电网对高功率器件封装的应用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆形分组布局的压接式功率器件封装，所述器件内部功率芯片采用分组布局，且组内芯片以圆形对称分布，使各芯片到圆心的距离一致，以保证驱动信号的一致性，使器件内部电流分布性好，最终提高了模块的功率密度和可靠性，通过设计紧凑的内部结构，减小了器件的导热路径，降低了器件热阻和功率器件封装的整体热阻。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种圆形分组布局的压接式功率器件封装，所述功率器件封装包括上下两面分别设置上下钼片的功率器件芯片的框架，以及叠层布置的多层PCB板、驱动电路、键合线和上端盖；所述功率器件芯片分组设置于所述框架顶部，且所述各组功率器件芯片以圆形对称分布，所述驱动电路位于所述圆形的中间位置。
所述的功率器件封装的第一优选技术方案，所述功率器件芯片与下钼片烧结，或者其两面分别与上下钼片烧结，极大地降低了接触热阻。
所述的功率器件封装的第二优选技术方案，所述下钼片为一整块大钼片，作为功率器件封装的下端盖以及功率器件的电极和散热面，所述上端盖作为功率器件的散热器和电极。
所述的功率器件封装的第三优选技术方案，所述圆形对称分布是指所述组内功率器件芯片对称分布于同一个圆周上，以保证各功率器件芯片到圆心的距离相等。
所述的功率器件封装的第四优选技术方案，所述多层PCB板内部至少包含两层导电路径，一层为功率器件芯片栅极驱动信号路径，一层为功率器件芯片阴极信号路径；所述PCB板与功率器件芯片以键合线相连。多层PCB板目的是将IGBT芯片的驱动信号回路与功率回路分开，避免功率回路对驱动信号回路的影响。
所述的功率器件封装的第五优选技术方案，所述多层PCB板包括导电层和绝缘层；所述导电层设置在绝缘层的内部，且导电层在栅极引出端子对应的位置暴露于绝缘层外部。
所述的功率器件封装的第六优选技术方案，所述栅极引出端子与所述多层PCB板焊接，从而与所述芯片的驱动回路栅极和发射极的连接。
所述的功率器件封装的第七优选技术方案，所述多层PCB板通过接口与外部电源连接，为内部驱动电路提供电源。
所述的功率器件封装的第八优选技术方案，所述上端盖作为功率器件的散热器，内部留有冷却管道，外部有冷却介质接口；所述接口用于连接所述功率器件封装的外部冷却装置。
所述的功率器件封装的第九优选技术方案，所述上端盖与下端盖以焊接方式相连，实现功率器件的封装。
与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
1)本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装，所述器件内部功率芯片采用分组布局，且组内芯片以圆形对称分布，使各芯片到圆心的距离一致，以保证驱动信号的一致性，保证了器件内部电流分布的一致性，最终提高了模块的功率密度和可靠性；
2)本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装，采用芯片的烧结技术，降低了接触热阻和功率器件封装的整体热阻，并且烧结金属层可以补偿零件加工的不平整度对功率器件所受压力分布均匀性的影响；
3)本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装，将下钼片直接作为器件的电极，降低了整体热阻和功率器件封装的高度；
4)本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装，直接用散热器作为功率器件的电极和上端盖，将散热器和器件做成一体，极大的减小了器件的导热路径，有效地降低器件的热阻，提高了模块的功率密度；
5)本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装，器件内部采用多层PCB板，使得器件的驱动信号回路与功率回路分开，避免了功率回路对驱动信号回路的影响，也消除了功率回路寄生电感对驱动信号的干扰，提高了驱动的可靠性；
6)本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装，器件内部集成了驱动电路，内部结构更为紧凑，集成度更高，降低了成本，提高了器件的可靠性。
附图说明
图1：本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装的俯视图；
图2：本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装的正视图；
图3：本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装子模组的俯视图；
图4：本发明的圆形分组布局的压接式功率器件封装子模组的A-A剖视图；
其中，1上端盖；1-1上端盖外部连接端子；2框架；3PCB板；3-1PCB板外部连接端子；4键合线；5驱动电路；6上钼片；7功率器件芯片；8下钼片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的圆形分组布局的压接式功率器件封装，封装结构包含不少于1个子模组，均采用叠层结构，如图2和图4所示，包括由上至下依次叠层布置的上端盖1、框架2、PCB板3、键合线4、上钼片6、功率器件芯片7和下钼片8，下钼片作为单个子模组的底板嵌套在框架2中，具体结构和连接关系为：
1、子模组
本实施案例中的子模组是本发明的重要部分，通过多个子模组的并联可以实现器件封装所需要的电流等级，并且子模组具有可替换性，具体结构布置如下：
①首先将大钼片作为子模组的下端盖，也作为功率器件的电极和散热面，再将功率芯片沿大圆钼片的圆周对称分布(本实施案例以压接式IGBT为例，所以其中的功率芯片为IGBT芯片和FRD芯片)，并通过烧结技术将功率芯片与大钼片烧结为一体；
②再在功率芯片的另一侧放置上钼片，并通过烧结技术将功率芯片与上钼片烧结为一体，通过烧结技术可以有效地消除功率芯片与钼片间的接触热阻和接触电阻，提高器件的可靠性；
③将圆形多层PCB板固定在大圆钼片中心，以保证PCB板上的电信号到每个功率芯片的距离一致，确保驱动信号的一致性；
④多层PCB板包含两层导电层，这里分别为栅极和阴极导电层，PCB板的导电层设置在绝缘层内部，在靠近功率芯片的位置导电层暴露在外，便于与功率芯片进行电气连接；
⑤功率芯片与PCB板的电气连接通过键合线实现，这种连接方式可以有效地降低寄生参数对驱动信号的影响。
2、上端盖
本实施例的压接式功率器件与散热器集成一体，散热器作为功率器件的一个端面参与导电，上端盖1与框架2构成器件的密封环境。上端盖不仅作为压接式功率器件的电极，而且还是功率器件的散热器，这样即保证了器件结构的紧凑性，又大大缩短了器件的散热路径，降低了器件的热阻，通过接口与外部冷却系统连接可以快速有效地将器件内部功率芯片产生的热量传递出去。
3、PCB板
本实施例中的PCB板为多层PCB板，包含两层导电层，具体为：
导电层设置在绝缘层内部，在与功率芯片接口以及外部驱动电路接口处将导电层暴露出来，便于电气连接，两层导电层的目的是将驱动回路与功率回路分开，避免功率回路对驱动回路的影响。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆形分组布局的压接式功率器件封装，所述功率器件封装包括上下两面分别设置上下钼片的功率器件芯片的框架，以及叠层布置的多层PCB板、驱动电路、键合线和上端盖；其特征在于，所述功率器件芯片分组设置于所述框架顶部，且所述各组功率器件芯片以圆形对称分布，所述驱动电路位于所述圆形的中间位置。
2.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述芯片与下钼片烧结，或者其两面分别与上下钼片烧结。
3.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述下钼片作为功率器件封装的下端盖以及功率器件的电极和散热面，所述上端盖作为功率器件的散热器和电极。
4.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述圆形对称分布是指所述组内功率器件芯片对称分布于同一个圆周上，使各功率器件芯片到圆心的距离相等。
5.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述多层PCB板内部包含至少两层导电路径，一层为功率器件芯片栅极驱动信号路径，一层为功率器件芯片阴极信号路径；所述PCB板与功率器件芯片以键合线相连。
6.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述多层PCB板包括导电层和绝缘层；所述导电层设置于所述绝缘层的内部，且在栅极引出端子对应的位置暴露于所述绝缘层外部。
7.如权利要求6所述的功率器件封装，其特征在于，所述栅极引出端子与所述多层PCB板焊接，以与所述功率器件芯片的驱动回路栅极和发射极连接。
8.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述多层PCB板通过接口与外部电源连接，为内部驱动电路提供电源。
9.如权利要求1所述的功率器件封装，其特征在于，所述上端盖作为功率器件的散热器，内部留有冷却管道，外部有冷却介质接口；所述接口用于连接所述功率器件封装的外部冷却装置。
10.如权利要求3所述的功率器件封装，其特征在于，所述上端盖与下端盖以焊接方式相连，实现功率器件的封装。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106898581A (zh) * 2017-04-01 2017-06-27 华北电力大学 一种功率器件
CN109686705A (zh) * 2018-12-18 2019-04-26 董志良 一种igbt器件封装结构
CN111063679A (zh) * 2020-01-06 2020-04-24 华北电力大学 一种多器件并联功率模块的布局电路板
CN113782521A (zh) * 2021-08-24 2021-12-10 许继集团有限公司 一种压接式igbt全桥电路阀段

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1805132A (zh) * 2004-12-17 2006-07-19 国际商业机器公司 用于芯片冷却的采用液态金属热界面的方法和装置
US20070238282A1 (en) * 2004-12-17 2007-10-11 Furman Bruce K Method and apparatus for deploying a liquid metal thermal interface for chip cooling
CN102881589A (zh) * 2012-09-24 2013-01-16 株洲南车时代电气股份有限公司 一种压接式igbt模块的制作方法及压接式igbt模块
CN203278780U (zh) * 2013-05-28 2013-11-06 奇瑞汽车股份有限公司 一种电动车用igbt驱动电路的集成电路板
CN104966704A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 国网智能电网研究院 一种低热阻的压接式功率器件封装
CN204792787U (zh) * 2015-05-29 2015-11-18 富士电机（中国）有限公司 功率半导体模块及电动汽车驱动用电动机

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1805132A (zh) * 2004-12-17 2006-07-19 国际商业机器公司 用于芯片冷却的采用液态金属热界面的方法和装置
US20070238282A1 (en) * 2004-12-17 2007-10-11 Furman Bruce K Method and apparatus for deploying a liquid metal thermal interface for chip cooling
CN102881589A (zh) * 2012-09-24 2013-01-16 株洲南车时代电气股份有限公司 一种压接式igbt模块的制作方法及压接式igbt模块
CN203278780U (zh) * 2013-05-28 2013-11-06 奇瑞汽车股份有限公司 一种电动车用igbt驱动电路的集成电路板
CN204792787U (zh) * 2015-05-29 2015-11-18 富士电机（中国）有限公司 功率半导体模块及电动汽车驱动用电动机
CN104966704A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 国网智能电网研究院 一种低热阻的压接式功率器件封装

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106898581A (zh) * 2017-04-01 2017-06-27 华北电力大学 一种功率器件
CN109686705A (zh) * 2018-12-18 2019-04-26 董志良 一种igbt器件封装结构
CN109686705B (zh) * 2018-12-18 2020-06-12 董志良 一种igbt器件封装结构
CN111063679A (zh) * 2020-01-06 2020-04-24 华北电力大学 一种多器件并联功率模块的布局电路板
CN113782521A (zh) * 2021-08-24 2021-12-10 许继集团有限公司 一种压接式igbt全桥电路阀段
CN113782521B (zh) * 2021-08-24 2023-08-15 许继集团有限公司 一种压接式igbt全桥电路阀段

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